Java--JVM

Java 虚拟机（JVM）介绍

Java 虚拟机（Java Virtual Machine，JVM）是 Java 程序运行的核心组件，它是 Java 平台无关性的关键。JVM 负责将 Java 字节码转换为机器码并执行，同时管理内存、垃圾回收、线程等资源。

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一、JVM 的作用

1. 平台无关性：

   • Java 程序编译后生成字节码（.class 文件），JVM 负责在不同平台上解释或编译字节码为机器码。
   • 实现“一次编写，到处运行”（Write Once, Run Anywhere）。

2. 内存管理：

   • JVM 管理堆、栈、方法区等内存区域，自动分配和回收内存。
   • 提供垃圾回收机制（Garbage Collection，GC），避免内存泄漏。

3. 安全性：

   • JVM 提供沙箱机制，限制 Java 程序的访问权限，防止恶意代码破坏系统。

4. 性能优化：

   • JVM 通过即时编译器（JIT）将热点代码编译为机器码，提高执行效率。

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二、JVM 的架构

JVM 主要由以下部分组成：

1. 类加载器（Class Loader）

• 负责加载 .class 文件到内存。
• 分为三种类加载器：
  • Bootstrap ClassLoader：加载核心类库（如 java.lang.*）。
  • Extension ClassLoader：加载扩展类库（如 javax.*）。
  • Application ClassLoader：加载用户自定义类。

2. 运行时数据区（Runtime Data Areas）

• 方法区（Method Area）：
  • 存储类信息、常量、静态变量等。
  • JDK 8 之前称为永久代（PermGen），JDK 8 及之后称为元空间（Metaspace）。
• 堆（Heap）：
  • 存储对象实例和数组。
  • 分为新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。
• 栈（Stack）：
  • 存储方法调用的局部变量、操作数栈、动态链接等。
  • 每个线程有独立的栈。
• 程序计数器（Program Counter Register）：
  • 记录当前线程执行的字节码指令地址。
• 本地方法栈（Native Method Stack）：
  • 用于执行本地方法（Native Method）。

3. 执行引擎（Execution Engine）

• 解释器：逐行解释字节码并执行。
• 即时编译器（JIT）：将热点代码编译为机器码，提高执行效率。
• 垃圾回收器（Garbage Collector）：管理堆内存，回收无用对象。

4. 本地方法接口（JNI）

• 提供调用本地方法（如 C/C++ 代码）的接口。

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三、JVM 的内存模型

1. 堆（Heap）

• 新生代（Young Generation）：
  • 分为 Eden 区和两个 Survivor 区（S0 和 S1）。
  • 使用复制算法进行垃圾回收。
• 老年代（Old Generation）：
  • 存储长期存活的对象。
  • 使用标记-清除或标记-整理算法进行垃圾回收。

2. 方法区（Method Area）

• 存储类信息、常量、静态变量等。
• JDK 8 之前称为永久代（PermGen），JDK 8 及之后称为元空间（Metaspace）。

3. 栈（Stack）

• 每个线程有独立的栈，存储方法调用的局部变量、操作数栈、动态链接等。

4. 程序计数器（Program Counter Register）

• 记录当前线程执行的字节码指令地址。

5. 本地方法栈（Native Method Stack）

• 用于执行本地方法（Native Method）。

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四、垃圾回收（GC）

1. GC 的类型

• Minor GC：清理新生代。
• Major GC：清理老年代。
• Full GC：清理整个堆和方法区。

2. GC 算法

• 复制算法：用于新生代，将存活对象复制到 Survivor 区。
• 标记-清除算法：用于老年代，标记无用对象并清除。
• 标记-整理算法：用于老年代，标记无用对象并整理内存。

3. 常见的垃圾回收器

• Serial GC：单线程垃圾回收器，适用于小型应用。
• Parallel GC：多线程垃圾回收器，适用于多核服务器。
• CMS GC：并发标记清除垃圾回收器，适用于对延迟敏感的应用。
• G1 GC：适用于大内存、低延迟的应用。
• ZGC：适用于超大堆内存（TB 级别）和超低延迟（毫秒级）的场景。

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五、JVM 调优

1. 调优目标

• 提高应用的吞吐量（Throughput）。
• 降低应用的延迟（Latency）。
• 减少 Full GC 的频率和时间。

2. 常用 JVM 参数

• -Xms：初始堆大小。
• -Xmx：最大堆大小。
• -Xmn：新生代大小。
• -XX:MetaspaceSize：元空间初始大小。
• -XX:MaxMetaspaceSize：元空间最大大小。
• -XX:+UseG1GC：使用 G1 垃圾回收器。
• -XX:+PrintGCDetails：打印 GC 详细信息。

3. 调优案例

• 高吞吐量应用：

  -Xms2048m -Xmx2048m -Xmn1024m -XX:+UseParallelGC
  

• 低延迟应用：

  -Xms2048m -Xmx2048m -Xmn512m -XX:+UseG1GC -XX:MaxGCPauseMillis=200
  

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六、总结

JVM 是 Java 程序运行的核心组件，负责字节码的执行、内存管理、垃圾回收等任务。通过理解 JVM 的架构和内存模型，可以更好地优化 Java 应用的性能。以下是 JVM 的核心要点：

1. 类加载器：加载 .class 文件。
2. 运行时数据区：包括堆、栈、方法区等。
3. 垃圾回收：管理堆内存，回收无用对象。
4. 调优：通过调整 JVM 参数优化性能。

掌握 JVM 的原理和调优方法，可以帮助你编写高效、稳定的 Java 程序。

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